Etude de l’implosion d’une cible cylindrique magnétisée induite par un faisceau d’ions lourds

Abstract

Dans les expériences de la fusion par confinement inertielle (FCI), on irradie par des faisceaux énergétiques la surface externe d’une micro-cible contenant du combustible thermonucléaire formé par un mélange de deutérium et de tritium. Lors de l’impact du faisceau incident avec la cible, les couches externes de cette dernière sont instantanément transformées en un plasma chaud complètement ionisé. Ce plasma subit une expansion rapide dans le vide conduisant par inertie à une onde de choc qui se propage vers le centre de la cible. L’idée de base de FCI est de faire imploser le combustible thermonucléaire se trouvant au centre de la cible sous l’effet de cette onde de choc générée. La densité et la température atteignent ainsi les valeurs nécessaires pour l’amorçage des réactions de fusion. Dans le cas de mélange D-T, la densité surfacique du combustible doit dépasser la valeur seuil de 0.2 g/cm2 ce qui est énorme et nécessite une énergie de driver de l’ordre de Méga Joule par impulsion. Ceci pose des problèmes technologique et même économique. Dans le but de résoudre ces problème posés et de réduire la densité d’allumage du combustible, une méthode qui apparait actuellement bien positionnée est récemment proposée. Il s’agit de l’implosion d’une cible cylindrique magnétisée par un faisceau énergétique d’ions lourds ce qui est le thème de cette thèse. Dans ce travail, nous avons présenté les différents phénomènes physiques et différents problèmes technologiques en relation avec le thème de la thèse. Notre contribution scientifique consiste à : - Construire un modèle à trois fluides pour décrire la détonation de la réaction de fusion, amorcée au centre de la cible vers le reste du combustible. Ce modèle tient compte de l’effet de l’écran de Debye sur le taux de réaction de fusion thermonucléaire ainsi que le confinement du plasma et des particules alpha par le champ magnétique appliqué. - Présenter une étude comparative de weibel excité dans le cas de la fusion par ions lourds et dans le cas de la fusion par laser. In the inertial confinement fusion (ICF) experiments, we irradiate the external surface of a micro target containing the D-T mixture thermonuclear fuel. Upon the impact of the incident beam with the target, the outer layers of the target are instantaneously evaporated as fully ionized hot plasma. This plasma undergoes a rapid expansion in space leading to a shock wave that propagates toward the center of the target. The basic idea of the ICF is to implode and heat the thermonuclear fuel at the center of the target by effect of the generated shock wave. The density and temperature reach then the request values for the fusion reaction burn. In the case of D-T mixture, the fuel density must achieved 0.2g/cm2 which is enormous and necessitates driver energy of order of Giga joule per pulse. This set technical and economic problems. In order to resolve these problems and reduced the demanded density, one of the proposals that seems now well positioned is using heavy ions beams to irradiated cylindrical magnetized targets which corresponds to the topic of the present thesis. In this thesis we have presented several physical phenomena and technical problems binding on the thesis topic. Our scientific contribution consists: - build up of a three-fluid model for describe the detonation of the fusion reaction, started at the center of the target, to the rest of the thermonuclear fuel. This model takes into account the effect of the Debye screen and the confinement of alpha particles and plasma produced by the applied magnetic field. - We have presented a comparative study between the Weibel instability in plasmas created by laser and those created by heavy ions. في الاندماج النووي الحراري بالقصور الذاتي (ا.ن.ع) ، نشع السطح الخارجي للهدف الذي يحتوي وقود نووي حراري مكون من خليط من الديوتريوم و التريتيوم . على أثر سقوط الحزم الإشعاعية على الطبقات الخارجية للهدف فان هذه الأخيرة وعلى الفور تتبخر مشكلة بلازما متأينة تماما و ساخنة. هذه البلازما تتعرض لتوسع سريع في الفضاء مما يؤدى إلى موجة صدمية تنتشر نحو قلب الهدف. الفكرة الأساسية من ا.ن.ع هو أن ينفجر الوقود النووي الحراري في قلب الهدف وذلك تحت تأثير الموجة الصدمية الناتجة. حيث تصل الكثافة ودرجة الحرارة إلى القيم اللازمة لتفاعل الإدماج النووي. القيمة اللازمة للكثافة السطحية للوقود النووي الحراري تتجاوز 0.2 غ/سم 2 وهي قيمة عالية يلزم لتحقيقها حزم إشعاعية بطاقة من رتبة الميغا جول مما يطرح مشا كل تقنية واقتصادية أيضا واحدة من المقترحات التي تبدو الآن في وضع جيد لتحل العديد من المشاكل المتعلقة أساسا بكفاءة استخدام الطاقة في الاندماج بالقصور الذاتي هي استخدام حزم عالية الطاقة من الأيونات الثقيلة.لضغط هدف ممغنط اسطواني يحتوي على الوقود النووي الحراري وهو ما يمثل موضوع هذه الأطروحة في هذه الأطروحة تم عرض الظواهر الفيزيائية والمسائل التكنولوجية المتعلقة بالموضوع مع مساهمة علمية متمثلة في: اقترحنا نموذج ثلاثي السوائل لوصف التفجير الذي يبدأ في مركز - الهدف ثم ينتقل إلى ما تبقى من الوقود. هذا نموذج يأخذ بعين الاعتبار تأثير شاشة ديباي وحبس جسيمات ألفا والبلازما الناتج عن الحقل المغنطيسي المطبق. كما قدمنا دراسة مقارنة بين حالة عدم الاستقرار في البلازما التي - يتم إنشاؤها بواسطة الليزر وتلك التي يتم إنشاؤها بواسطة الأيونات الثقيلة.